[월간인물 유지연 기자] 사람과 동식물의 생존에서 나아가 전력 공급과 각종 공정에 반드시 필요한 자원인 물의 쓰임새가 점점 커지고 있다. 그러나 우리가 실제 활용할 수 있는 수자원은 점차 줄어들며 ‘블루골드’라는 별칭까지 생겨났다. 기후변화로 인해 높아져 가는 가뭄의 빈도·강도 또한 인류가 직면한 위기로 거론된다. 장지수 박사는 오·폐수를 식수 수준으로 정화하는 동시에 전기까지 발생할 수 있는 멤브레인을 개발하며 수자원 활용의 새로운 가능성을 열었다.

 

 

융합연구 끝에 구현된 ‘전력발생 물정화 멤브레인’이라는 아이디어

장지수 박사가 오·폐수, 바닷물, 지하수 등을 식수로 처리하는 동시에 전기를 연속적으로 발생시키는 ‘전력발생 물정화 멤브레인(분리막)’ 개발에 성공했다. 지난달 본지에 소개되었던 명지대학교 신소재공학과 윤태광 교수와의 공동연구를 통해서다. 물을 정화시키는 다공성 필터 위에 전기가 통하는 전도성 고분자 물질을 프린팅 공정으로 입힌 샌드위치 구조의 멤브레인에 오염된 물을 수직 관통시키면 물이 정화되는 동시에 수평 방향으로 확산되며 직류 전기를 만들어낸다. 전류가 지속적으로 나오기에 저장 및 활용도 가능하다. 본 연구는 재료 분야 국제학술지 <어드밴스드 머티리얼스> 온라인판과 2월호 표지 논문으로 게재되었다.

생활용수나 공업용수로 직접 사용하기 힘든 바닷물의 염분 등 용해 물질을 제거하여 식수로 정화하는 해수담수화 과정에서 필요로 하는 중간 필터인 멤브레인 개발에 전념해온 장 박사는 수처리 멤브레인이 정수기 필터와 유사한 역할을 수행한다고 설명했다. 실제로 미국에서는 산업계에서 사용되는 전기 에너지의 3~40%가 물을 정화하는 데 쓰이는 것으로 알려졌다. 물을 정화시키는 동시에 전기를 만들어내는 수처리 멤브레인 개발은 에너지 사용의 효율성이나 친환경적 측면에서도 의미가 크다. 장 박사가 수처리 멤브레인 연구에 임하기까지 카이스트 신소재공학과에서 박사학위를 받고, 예일대학교 환경공학과에서 박사후연구원으로 일했던 재료공학적 배경이 주효했다. 다양한 전자재료 및 센서에 관한 연구를 이끌어오던 그는 예일대학교로 자리를 옮겨 수처리 멤브레인 분야를 접하게 되었다.

“예일대학교 환경공학과에서는 수처리 멤브레인의 적용처를 탐색하는 데 초점을 맞추고 있었어요. 재료공학자들이 제품이 탄생하기 전 제품에 들어가는 새로운 소재를 개발한다면 환경공학과에서는 이러한 재료를 이용해 좋은 멤브레인을 만드는 연구를 수행하는 거죠. 필터를 개발할 때 보다 성능이 좋은 재료를 적용하면 더욱 뛰어난 효과를 낼 수 있어요. 이러한 부분에서 저의 재료공학적 지식이 도움이 되었습니다.”

물을 정화하는 동시에 전기를 생산하는 정화 멤브레인이라는 아이디어를 떠올린 장 박사는 자신이 갖고 있던 수처리 멤브레인 기술 등 재료공학적 배경 위에 물을 자원으로 활용해 전기를 생산하는 방법에 대한 윤 교수의 연구를 접목할 것을 제안했다. 두 기술을 결합하면 궁극적 목표인 전기를 만드는 동시에 물을 정화시키는 멤브레인을 만들 수 있으리라 확신한 그다. 연구실 선후배 관계이던 두 사람은 화상회의를 통해 연구 아이디어를 구체화하기 시작했다. 장 박사는 수처리 멤브레인에 전도성 전기가 통하는 고분자 물질을 새롭게 도입해 새로운 연구 콘셉트를 완성할 수 있었다고 설명했다.

 

작동원리와 설비과정 단순화시키며 실제 산업에의 적용 도모

“사실 이전에도 전기를 만드는 동시에 물을 정화시킨다는 연구 컨셉들은 존재했어요. 저희는 이러한 기술이 실제 산업현장에 적용될 수 있도록 일련의 과정을 심플하게 구현해내는 데 집중했습니다.”

오염된 물을 식용이나 생활·공업용수로 사용할 수 있도록 정화하는 수처리 기술은 인류에게 반드시 필요한 미래 기술로 손꼽히고 있다. 그러나 정화 과정에서 소요되는 과도한 에너지 사용은 반드시 해결해야 할 과제로 남았으며, 수많은 연구자들이 물을 정화시키는 동시에 전기를 생성하는 것을 목표로 전기화학적 장비를 개발해왔다. 장지수 박사는 오염수가 멤브레인을 통과하는 과정에서 찌꺼기가 걸러지는 원리를 유사하나 멤브레인에 물이 닿는 순간 전기가 저절로 발생하는 소재를 적용함으로써 전기 발생 과정을 기존 연구보다 대폭 간소화한 것이 이번 연구의 특징이라 설명했다.

“복잡한 장비를 적용하지 않고도 평소 하던 일에서 부수적인 기능을 얻을 때 사용자들이 실제로 느끼는 편익이 크잖아요. 과학기술 분야가 집중해야 할 부분도 바로 단순화에 있다고 생각합니다. 너무 복잡하고 어려운 기술들은 사람들이 이해하기도 필요성을 느끼기도 어렵거든요. 이러한 점에서 사용자들에게 간편하게 서비스를 제공할 수 있는 플랫폼을 개발했다고 말할 수 있습니다.”

간소화된 구동 원리만큼이나 제작 방법 또한 간단하다. 상용화된 멤브레인에 장 박사 연구팀이 개발한 물질을 잼 바르듯 발라주는 것만으로 전력발생 물정화 멤브레인의 효과를 누릴 수 있다. 장 박사는 기존 멤브레인의 표면에 바르는 고분자 소재가 대량 생산이 가능한 고분자인 만큼 가격적 측면에서도 충분한 경쟁력이 있다고 판단된다며, 향후 라지 스케일로 갔을 때 공장용 폐수의 담수화에 실제 활용이 가능한지 확인한다는 계획을 전했다. 향후 실제 산업에의 적용을 위해 멤브레인을 라지 스케일로 키우고, 성능을 실증하는 시간을 가진다는 설명이다. 실증기간에는 산업용 폐수에 전력발생 물정화 멤브레인을 적용했을 때 어느 정도로 정화가 되는지, 전기가 실제 사용할 수 있는 수준으로 발생되는지를 테스트하게 된다.

“랩 스케일에서는 비용적 부담 없이 백금, 금 등 귀금속 소재들을 활용해 새로운 기술을 개발할 수 있지만 실제로 쓰이는 기술을 개발한다는 측면에서는 고민해볼 만한 지점입니다. 실용화를 위해서는 가격적 측면도 반드시 고려해야 하니까요. 누가 만들어도 간단하게 만들 수 있으면서도 양산이 가능해 산업에 실질적 도움을 줄 수 있는 기술을 만들고자 합니다.”

 

환경오염의 주원인으로 주목받는 ‘가축분뇨’의 바이오연료화에 주목하다

장지수 박사의 다음 연구는 가축분뇨의 정제 및 암모니아 추출이다. 한국과학기술연구원이 ‘세상에 없는 기술’을 테마로 운영 중인 원내 펀딩 프로그램의 일환이다. 오래전부터 환경오염원으로 지목받아온 공장폐수는 물론 최근에는 축산업에서 발생하는 가축분뇨가 환경 이슈로 대두하고 있다. 쌀 소비량보다 육류 소비량이 높아지는 전 세계적 추세 속 우리나라에서 기르고 있는 가축의 수도 1억 9천만 마리에 달하며, 그 규모는 점차 증가할 것으로 보인다. 가축들이 배출하는 배설물은 대기오염이나 토양오염, 지하수 오염 등 다양한 환경오염을 일으킨다. 장 박사는 가축의 배설물이 자동차매연 등 내연기관에서 발생하는 대기오염보다 더 큰 영향을 미치고 있다고 말했다.

가축분뇨를 정제하는 동시에 암모니아를 추출하는 장 박사와 원내 팀원들(부찬희, 손문, 변지혜 박사) 연구는 환경오염물질인 가축분뇨를 자원화한다는 점에서 눈길을 끈다. 특히 암모니아는 수소와 함께 화석연료의 대체제로 주목받는 친환경 에너지원이자 폭발성이 강한 기체인 수소의 안전한 운반에도 활용된다. 장 박사는 가축분뇨에서 암모니아를 모두 회수한다고 할 때 매년 국내에서 필요로 하는 전체 암모니아양의 30% 이상을 공급할 수 있을 것이라 내다봤다. 우리나라는 현재 수소와 암모니아의 80% 이상을 수입에 의존하고 있다. 장 박사는 버려지는 가축분뇨를 바이오연료로 활용해 암모니아를 추출하고, 오염물질을 정제하는 동시에 전기까지 발생한다는 연구 컨셉을 구상하고 있다고 전했다.

“액체가 닿으면 전기가 발생하는 수처리 멤브레인을 가축분뇨 정제에도 적용할 계획입니다. 지금까지 가축분뇨를 실시간으로 처리하는 시스템은 없었거든요. 환경개선을 위한 연구개발에 중점을 두고 후속연구를 이어갈 계획입니다.”

장 박사는 이번 연구를 가축들에게 화장실을 설치해주는 것과 같다고 설명했다. 지금까지는 가축들을 토양 위에 노출해서 기르기에 배설물 또한 땅속에 곧바로 유입되었다. 장 박사가 개발한 멤브레인은 가축단지 아래에 전면적 도배하는 방식으로 설치되어 이러한 유입을 방지하게 된다. 토양 위에 멤브레인을 깔고, 그 위를 토양으로 덮는 방식이다. 가축들이 배출한 분뇨들은 토양에 유입되기 전 멤브레인을 거쳐 정제되고, 이 과정에서 암모니아가 추출된다. 장 박사는 높은 실현 가능성은 물론 파급력 또한 큰 연구가 될 것이라는 기대를 전했다. 향후 오·폐수로 전기를 발생시키는 멤브레인 기술과 분뇨에서 암모니아 추출과 전기 발생 기능을 동시에 수행하는 멤브레인 기술 연구를 병행한다는 계획이다.

 

새로움을 창조해내는 과학의 매력, ‘그랜드 챌린지’로 새로움에 도전하는 과학자

과학고등학교를 거쳐 카이스트에서 석·박사 학위를 딴 후 연구자로서의 삶에 이르기까지 긴 시간 과학이라는 분야에 몸담아온 장지수 박사는 ‘과학’의 매력을 말했다. 이미 밝혀진 책 속 지식을 습득하는 것을 넘어 새로운 발견으로 책을 만들어간다는 창의적 학문이자 직업이기에 결코 짧지 않은 시간이었음에도 지치지 않고 새로운 도전을 이어올 수 있었다는 그다. 장 박사는 최근 의대 쏠림 현상에 대한 안타까움과 함께 과학기술 개발에 대한 국가적 중요도가 보다 높아졌으면 한다는 바람을 전했다. 진짜 위기가 왔을 때 준비된 자들만이 위기를 넘어갈 수 있듯 과학기술이 절실하게 필요해지는 순간이 오기 전 좋은 인재를 길러낼 수 있는 환경이 조성되어야 할 것이라 말하는 그다.

“어릴 때부터 과학자를 꿈꾸어왔고, 수많은 위인전을 읽어왔어요. 발명가란 지금 있는 것이 아닌 없는 것을 만들어내는 사람이잖아요. 세상에 없던 것을 창조해낸다는 것이 저에게는 가장 큰 매력 포인트였습니다.”

과학의 실용성을 강조하던 시대에서 미래를 열어갈 새로운 기술을 요구하는 시대로의 변화는 장 박사에게 반가운 소식이었다. 실제로 한국과학기술연구원 또한 성공 가능성은 매우 낮지만 성공하면 세상을 바꿀 수 있는 초고난도 연구에 도전하는 ‘그랜드 챌린지(GRaND Challenge)’ 프로젝트를 내세우며 새로운 기술을 제안할 것을 주문하고 있다. 이러한 미래지향적 흐름은 장 박사가 연구자로서의 꿈을 키워가는 원동력이 되고 있었다. 그는 젊은 연구자이기에 연구할 시간이 상대적으로 많이 남아있는 만큼 눈앞의 성패에 연연하기보다 새로운 가능성과 가치에 초점을 맞추고 도전을 이어가고자 한다고 설명했다. 우리나라를 대표하는 국책연구기관 중 하나인 한국과학기술연구원에 몸담고 있는 만큼 자신이 개발하는 각각의 기술들이 국가에 더욱 긴요한 쓰임을 받았으면 한다는 바람과 함께였다.

대기환경이나 수질환경에 관한 연구를 수행해온 장 박사는 늘 ‘쓰임’에 초점을 맞춰왔다. 심플하게 구현할 수 있으면서도 적용에 드는 비용이 적은 기술일 때 비로소 대중화될 수 있다는 신념에서다. 그는 큰 규모의 연구비가 아니더라도 그에 준하는 파급효과를 내는 기술을 개발하는 것만으로도 의미가 있다고 말했다. 그런 그의 단기적 목표 또한 상반기 내 기술이전이다. 한국과학기술연구원이 기초 R&D 기관으로써 원천기술을 담당하고 있기에 기술의 실용화를 위해서는 상용화에 전문성을 가진 회사에 기술이전 하는 것이 수순이라는 설명이다.

“저는 제 연구 결과들이 세상에 더 많이 알려지면 좋겠어요. 그래야 더 많은 사람들이 해당 분야에 관심을 갖고, 필요성을 느낄 수 있으니까요. 우리나라에 좋은 연구를 하시는 과학자들이 많음에도 대중들에게는 친숙하지 않은 것 같아요. 좋은 연구 성과를 냈을 때 누구나 다 이해할 수 있도록 풀어서 설명하며 사람들에게 알릴 기회가 생겼을 때 가장 큰 보람을 느낍니다.”

장 박사가 소속된 한국과학기술연구원 전자재료센터는 인간의 감각 기관을 모방한 헬스케어용 질병 진단 센서 개발을 목표로 뉴로모픽(Neuromorphic) 화학센서 개발에 무게를 싣고 있다. 장 박사는 피부암 등 피부병을 조기에 진단하는 밴드 타입의 센서를 개발 중이다. 그는 고령화 사회가 되며 건강에 대한 관심이 커지고 있다며, 사용자들이 의사의 도움 없이도 손쉽게 자신의 질병을 모니터링하거나 신체 상태를 체크할 수 있는 기구를 개발 중이라 설명했다. 팬데믹을 겪었듯 예측할 수 없는 환경적·질병적 이슈들에 대비하기 위한 기술이 개발되고 있다는 사실이 대중들에게 보다 많이 알려졌으면 한다는 바람을 전하기도 했다.

 

자율성과 창의성 위에 세운 집단지성의 힘… 융합연구로 새로움 파고들 것

세상에 없던 것을 만들어내는 데에는 맨파워 또한 중요하다. 장지수 박사는 새로운 아이디어를 떠올린 후 기술을 구현해 실험하고, 관측하는 모든 단계는 결코 혼자서 짊어질 수 있는 과정이 아니라며, 연구팀이 협업해 새로운 결과를 창출하는 것이야말로 연구의 가장 중요한 요소라 말했다. 팀원들을 면밀히 지도하기보다 각자가 한 사람의 연구자로서 자신이 수행하는 연구의 이유와 의미를 찾고, 스스로 이끌어갈 수 있도록 동기부여 하며 그룹의 전체적인 역량을 끌어올리고자 노력하고 있는 그다. 특히 한 사람의 천재가 과학의 발전을 이끌던 시절은 지났기에 이제는 집단지성의 힘으로 새로운 기술을 발전시켜가야 함을 강조하고 있었다.

“세상에 없는 기술을 만들기 위해서는 창의적 사고력과 기술 개발의 이유와 목적에 대한 방향성이 중요합니다. 자신이 하고 있는 일의 의미를 찾지 않는다면 목적지 없이 그저 달리기만 하는 꼴이 되고 말거든요. 또한, 연구팀의 도움 없이는 저 역시 저의 아이디어를 실현하는데 너무 오랜 시간이 걸리거나 아예 구현하지 못할 수도 있어요. 그렇기에 연구팀의 동기부여를 통한 전체적인 역량 강화와 더불어 꿈을 심어주고 싶다는 생각을 갖고 있습니다.”

장 박사는 자율적·창의적 연구를 독려하고 있었다. 매주 정해진 그룹 세미나 시간 외에는 연구 과정에 대해 일절 터치하지 않는다. 학생들에게도 실패해도 좋으니 주인의식을 갖고 있는 그대로를 알려줄 것을 강조한다. 윗사람이 아닌 동료 연구자로서 생산적 활동을 돕고 싶다는 그다. 이러한 교수법을 택하기까지 그의 지도교수였던 카이스트 김일두 교수의 영향이 컸다. 장 박사는 긍정적인 시선에서 학생들을 믿고 기다려주던 김일두 교수를 통해 꿈을 키웠다며 존경을 표했다.

“세상에 없던 것을 만들어내는 연구는 매일의 실패 끝에 비로소 결실을 맺는 지난한 과정을 거쳐야 합니다. 실험을 했을 때 10번 중 9번 이상은 실패하는 것이 저희가 하는 일들이죠. 매일매일 결과를 보고받고, 학생들을 지도한다면 오히려 부담이 될 수 있으리라 생각해요. 자칫 순수하고 정직하게 나아가야 할 실험이 보고를 위한 결과물, 성공한 데이터에 치중할 수 있으니까요.”

끝으로 장 박사는 여자친구에 대한 고마움을 표했다. 이공계인 자신과는 다른 분야에 몸담고 있음에도 늘 자신의 연구를 궁금해하고, 새로운 방향성을 제시해주었기에 지치지 않고 연구에 임해올 수 있었다는 그다. 장 박사는 한창 커리어를 쌓아갈 시기인 만큼 서로 응원하며 발전해나가자는 메시지를 남겼다. 새로움을 창조하는 과학의 매력에 매료되어 세상을 이롭게 할 ‘그랜드 챌린지’를 이어가는 장 박사가 창의적 도전과 집단지성에 힘입어 우리의 삶의 모습을 바꾸어줄 의미 있는 결실을 맺을 수 있길 응원한다.